Чем отличается гироскоп от акселерометра

Разница между гироскопом и акселерометром

Многие из современных мобильных гаджетов — смартфонов и планшетов — оснащены гироскопами и акселерометрами. Что это за аппаратные компоненты?

Содержание статьи

Гироскоп, встраиваемый в мобильный гаджет, это небольшое устройство, способное определять собственный (а значит, и того девайса, на котором оно размещено) угол наклона относительно земной поверхности и передавать соответствующие координаты в то или иное приложение. Например — в игру, установленную на смартфоне либо планшете или иной вид ПО. Использование приложениями данных с гироскопа дает возможность пользователю эффективно управлять интерфейсом девайса или, например, игровыми персонажами.

Гироскопы — это девайсы, которые находят самое широкое применение не только в индустрии мобильных решений, но и в иных сегментах рынка электронных устройств, а также в автомобильной, аэрокосмической промышленности. Принцип их работы вне зависимости от сферы применения одинаковый — они используются для определения положения объекта относительно земной поверхности.

к содержанию ↑

Что такое акселерометр?

Акселерометр в мобильном гаджете — это устройство, позволяющее измерять собственное (а значит, и того девайса, на котором оно размещено) ускорение. Даже если длина «разгона» составляет миллиметры.

Как и гироскоп, акселерометр, инсталлированный на смартфоне или планшете, может передавать сведения об ускорении в игру или приложение.

При этом соответствующий сигнал призван выполнять, в принципе, ту же функцию, что и в случае с задействованием гироскопа — он помогает программе, работающей на гаджете, определить свое положение относительно земной поверхности.

Вместе с тем у акселерометра есть одно важное преимущество — измерение ускорения позволяет устройству весьма точно вычислять расстояние, на которое оно перемещено в пространстве. Поэтому мобильный гаджет с акселерометром можно использовать, к примеру, как шагомер.

Способность акселерометра измерять ускорение исключительно полезна для работы систем защиты некоторых электронных устройств от последствий падения или неудачной «перепасовки» одним пользователем другому.

Подобные системы могут устанавливаться на жестких дисках ноутбуков: если они обнаруживают, что винчестер куда-то летит, то временно блокируют его записывающую головку — самый хрупкий элемент.

Если жесткий диск все же упадет, то сохранится шанс на то, что его кластеры останутся в целости.

к содержанию ↑

Сравнение

Главное отличие гироскопа от акселерометра — в принципах работы данных аппаратных компонентов.

Первый вычисляет свой угол наклона относительно земли, второй подсчитывает собственное ускорение — но, опять же, относительно земной поверхности.

На практике обе функции могут в ряде случаев заменять друг друга или же удачно дополнять. Поэтому многие мобильные девайсы оснащаются как акселерометром, так и гироскопом.

Вместе с тем у акселерометра есть ряд возможностей, недоступных для гироскопа. В частности — формирование сигналов, позволяющих определить расстояние, пройденное пользователем мобильного устройства.

Определив то, в чем разница между гироскопом и акселерометром, зафиксируем ее ключевые критерии в таблице.

к содержанию ↑

Таблица

Гироскоп	Акселерометр
Что между ними общего?
Оба устройства позволяют определить их положение относительно земли, а также того гаджета, в котором они инсталлированы, и могут задействоваться в этих целях одновременно
В чем разница между ними?
Определяет собственный угол наклона относительно земли	Определяет ускорение относительно земной поверхности
Не может использоваться в целях измерения длительности перемещения устройства	Может применяться для измерения длительности перемещения устройства

Источник: https://TheDifference.ru/chem-otlichaetsya-giroskop-ot-akselerometra/

Что такое гироскоп в смартфоне, для чего нужен и отличие от акселерометра

Для каждого современного смартфона обычным делом является оснащение различными датчиками. К примеру, в смартфонах датчики отвечают за освещенность, приближение, магнитометрию, ускорение, приближение, измерение расстояния.

Кроме того, смартфоны оснащаются акселерометрами и гироскопами.

Вот о последнем мы и поговорим, поскольку многих интересует — что такое гироскоп, который зачастую работает в тандеме с акселерометром, а также — как им пользоваться?

Примечательно, что гироскоп был изобретен еще в середине XIX столетия французским ученым Леоном Фуко. С помощью изобретенного им гироскопа Фуко проводил наблюдения суточного вращения Земли.

Что касается современных гироскопов, они применяются не только для того, чтобы определить вращение тела. Их основное предназначение — определить угол отклонения определенного тела по отношению к плоскости.

Очень часто в смартфонах гироскоп работает в паре с акселерометром, благодаря чему можно отслеживать и фиксировать движение, причем в данном случае это касается трехмерного пространства.

Интересно, что первый смартфон, в спецификациях которого фигурировал гироскоп, стал «яблочный» гаджет iPhone 4. А, поскольку очень часто компания Apple выступает в роли законодателя моды, многие производители мобильных аппаратов подхватили идею и стали также оснащать свои смартфоны гироскопом.

Справедливости ради стоит заметить, что применение гироскопа является не просто трендом, когда практическая польза вызывает сомнение. Применение гироскопа на самом деле привнесло пару совершенно новых и интересных возможностей.

Как уже было сказано, в смартфонах гироскоп как правило применяется вместе с акселерометром, благодаря чему устройство становится более чувствительным к изменению положения, к примеру, это касается наклона, поворота и прочих даже самых незначительных движений.

Такое оснащение с определенным программным обеспечением может обеспечить защиту смартфона во время его падения или удара.

Рентген гироскопа в iPhone 4

Кроме того, чтобы можно было полноценно взаимодействовать с гарнитурой виртуальной реальности гироскоп является просто незаменимой вещью, поскольку с его помощью происходит определение движения смартфона во всех направлениях.

Иными словами, для того, чтобы нормально взаимодействовать с виртуальной реальностью, необходимо точное определение человека в пространстве, для чего собственно и нужен гироскоп.

И, несмотря на то, что на сегодняшний день даже недорогие аппараты оснащена акселерометром, но для работы с приложениями виртуальной реальности его датчиков недостаточно по причине многих погрешностей и невозможности определения поворотов и движения в горизонтальной плоскости. Для наиболее эффективного погружения в виртуальную реальность требуется как акселерометр, так и гироскоп.

По своей сути, гироскоп в смартфоне является микроэлектромеханическим преобразователем угловых скоростей в электрический сигнал.

Иными словами, в способность гироскопа входит расчет изменения угла наклона по отношению к оси в процессе поворота смартфона.

Гироскоп относится к такому типу микроэлектромеханических систем (МЭМС), в которых присутствует как механическая, так и электронная часть. Размер такого чипа в среднем достигает нескольких миллиметров или даже меньше.

Между тем, современные мобильные аппараты оснащены гироскопом в основном для того, чтобы улучшить качество игры. Чтобы играть в гонку или другую игру на смартфоне уже не нужны виртуальные джойстики.

Управление автомобилем или вертолетом можно осуществлять, просто изменяя положение смартфона в пространстве — наклоняя его вправо или влево, на себя или от себя, а также вперед или назад, держа его горизонтально. Гироскоп также умеет определять скорость, с которой аппарат перемещается.

К примеру, для того, чтобы управлять игрой, можно воспользоваться не только поворотом смартфона, но и скоростью поворота. Благодаря этому не только играть, но и управлять смартфоном в целом можно более точно и удобно.

Вдобавок ко всему, гироскоп в смартфоне можно использовать для того, чтобы определить текущее местоположение на местности. С помощью смартфона, в оснащение которого входит гироскоп удобно определять направленность движения.

В частности, это можно сделать с помощью GPS-навигации, когда карту можно повернуть в нужную сторону. Это можно сделать, просто повернувшись со смартфоном в руках в нужную сторону по отношению к искомому объекту, например, населенному пункту — карта также повернется в нужную вам сторону.

Познавательную статью о том, какая разница между GPS и A-GPS вы найдете на нашем портале.

Чем отличается акселерометр от гироскопа

Между тем, раз уж мы упомянули об акселерометре, не вдаваясь в лишние подробности, коротко отметим, в чем заключается основное отличие акселерометра от гироскопа. Если коснуться основных отличий акселерометра и гироскопа, то стоит упомянуть о принципе их работы.

В случае с гироскопом происходит вычисление угла наклона по отношению к земле, в то время как в возможности акселерометра входит подсчет собственного ускорения, также — относительно к земле. Как показывает практика, оба этих аппаратных компонента могут служить как поодиночке — хотя в некоторых случаях недостаточно эффективно — так и дополнять друг друга.

Поэтому на сегодня подавляющее большинство смартфонов получают в оснащение как гироскоп, так и акселерометр.

В заключение стоит отметить, что некоторые пользователи предпочитают отключить гироскоп на смартфоне. Обусловлено это тем, что многие программы могут реагировать на изменение положение в пространстве с некоторым запозданием. Например, при просмотре картинок или фотографий, ориентация страницы может меняться при малейшем изменении положения тела, что может нервировать.

Источник: https://vnokia.net/article/android/5190-chto-takoe-giroskop-v-smartfone-dlya-chego-nuzhen-i-otlichie-ot-akselerometra

Гироскоп или акселерометр?

После выхода iPhone 4 многие много внимания было уделено новому дисплею, корпусу и прочим важным вещам. И лишь мимоходом отметили замену акселерометров на гироскопы для улучшения управления в играх.

В своей статье для «Компьютерного обозрения» я отметил этот момент, в следствие чего даже консультировал одного из читателей.

Почему бы не уделить этому моменту внимание и не разобраться зачем одни датчики были заменены на другие и чем они собственно отличаются?

Начнем с того, что и акселерометры и гироскопы являются инерционными датчиками. Акселерометры (лат. accelero — ускоряю и μετρέω — измеряю) — приборы, предназначенные для имерения проекции кажущегося ускорения.

Простейшая модель акселлерометра

В данном случае русская Википедия дает на удивление неплохое определение. В случае с мобильными телефонами датчики реагировали на изменение вектора ускорения свободного падения и все последующие действия исходили из этого.

Условная схема определения положения устройства в пространстве с применением двух акселлерометров

Точность в результате была довольно низкой, так как угол поворота устройства в пространстве напрямую измерить таким образом невозможно, лишь примерно оценить. На практике это выражалось в задумчивости поворота экранов, ложных срабатываниях и т.д. Какие же преимущества дает гироскоп и чем он собственно отличается?

Определение на Вики настолько далеко от общего, что обратимся к первоисточнику.

Впервые определение гироскопу дал Леон Фуко, назвавший так свой прибор, с помощью которого он наблюдал суточное вращение Земли.

В Большой Советской Энциклопедии приводится следующее «Гироскоп — быстро вращающееся твердое тело, ось которого может изменять свое направление в пространстве».

В современных гироскопах могут происходить разнообразные физические процессы, не обязательно основанные на вращении твердого тела. Хотя и классические гироскопы все еще применяются.

Примеры гироскопов. Банальный волчок по своей природе является гироскопом.

Примером классического гироскопа является ротор в кардановом подвесе. При вращении ротора он будет сохранять неизменным свое положение в пространстве независимо от движения основания.

Таким образом можно измерять угол поворота основания, а соответственно и корабля/самолета etc.

Именно по гирокомпасам ходят суда и летают самолеты, не полагаясь на примерные показания магнитного компаса, особенно в полярных широтах, а данные о положении самолета в пространстве получаются с гировертикали и гирогоризонта.

Естественно, классический гироскоп не может применяться в электронике. Для этого используются вибрационные микромеханические гироскопы — датчики угловой скорости.

Чувствительный элемент таких приборов закреплен, при попытке его поворота возникает кориолисова сила, пропорциональная угловой скорости.

Не вдаваясь в подробности работы, которые вряд ли будут кому-то интересны скажем, что выходным сигналом ДУС является напряжение, пропорциональное угловой скорости. Такие датчики имеют небольшие габариты (около 10x10x2 мм) и могут быть легко интегрированы в печатную плату.

Мировым лидером в производстве таких датчиков является компания Analog Devices, датчик которой изображен на рисунке. Можно с большой долей вероятности утверждать, что именно датчики этой компании установлены в iPhone 4.

Преимущества очевидны. В любой момент времени можно знать положение телефона в пространстве. В играх для управления можно использовать не только поворот устройства, но и скорость поворота, что позволяет организовать более точное и реалистичное управление.

Надеюсь, этот небольшой экскурс в теорию и практику гироскопов вас не утомил, а лишь еще раз подчеркнул, что современный мобильный телефон крайне сложное устройство, в котором применяются технологии ранее доступные только авиационной и космической промышленности. А мы тем временем не брезгуем ими открывать пивные бутылки.

Изображения датчиков взяты с сайта представительства Analog Devices в СНГ и странах Балтии

Источник: https://itc.ua/blogs/giroskop_ili_akselerometr_48048/

Что такое гироскоп, акселерометр, G-сенсор

В этой заметке речь пойдет о паре миниатюрных приспособлений, которые встраиваются во многие современные электронные устройства: плееры, планшеты, коммуникаторы, фото- и видеокамеры. А именно — о гироскопе и акселерометре.

Стоит, кстати, сказать, что синонимом слова «гироскоп» является слово «гиродатчик», а синонимом «акселерометра» — G-сенсор.

Сами же гироскоп и акселерометр — вещи разные (некоторые их путают), но они отлично дополняют друг друга, работая в паре.

Акселерометр (G-сенсор) — это миниатюрное устройство, которое, если говорить научным языком, измеряет проекцию кажущегося ускорения. Если говорить проще, то оно определяет угол наклона устройства относительно поверхности Земли.

Программное обеспечение, получающее информацию об угле наклона с акселерометра, поворачивает изображение на экране. Например, на устройстве с G-сенсором для перехода в альбомную (ландшафтную) ориентацию экрана достаточно всего лишь повернуть устройство на 90 градусов.

Изображение на экране повернется как бы «само», так как сработает акселерометр.

Гироскоп (гиродатчик) — это приспособление, которое служит для определения ориентации устройства в пространстве, для отслеживания его перемещения. Программное обеспечение, используемое вместе с гироскопом, способно быстро реагировать на перемещение устройства в пространстве и принимать соответствующие решения.

Например, в ноутбуках гироскоп позволяет быстро включить режим фиксации жесткого диска в случае падения или просто резкого перемещения устройства. Это очень полезно, поэтому желательно, чтобы покупаемый вами ноутбук/нетбук был оснащен гиродатчиком. Впрочем, во многих ноутбуках для аналогичных целей используется и акселерометр.

В современных коммуникаторах, телефонах и планшетах акселерометр и гироскоп используются также как важные элементы управления игровым процессом.

В результате у игрока появляется возможность управления, например, виртуальным автомобилем в каких-нибудь гонках простыми поворотами, встряхиваниями и прочими движениями устройства. И, естественно, спектр игр не ограничивается только гонками.

Существует огромное количество самых разных игр, использующих гироскоп и акселерометр как средство управления. Все это делает игровой процесс более увлекательным и интерактивным.

В ряде устройств программное обеспечение также может использовать акселерометр и гироскоп в самых различных случаях.

Например, на коммуникаторах iPhone в портретной (стандартной) ориентации экрана калькулятор самый обычный — отображаются лишь кнопки с цифрами и простейшими арифметическими действиями.

А вот при повороте устройства на 90 градусов калькулятор автоматически переходит в профессиональный режим — появляются кнопки с тригонометрическими, логарифмическими и прочими функциями.

Помимо этого, в iPhone, iPod и iPad акселерометр задействуется музыкальным проигрывателем: в портретной (вертикальной) ориентации экрана на дисплее отображается список песен/авторов/альбомов, а при повороте устройства на 90 градусов происходит переход в своеобразный режим, который называется CoverFlow. На экране появляются изображения обложек альбомов, которые можно прокручивать простым движением пальца. Важно понимать, что акселерометр здесь выполняет только одну функцию: обеспечение автоматического перехода из стандартного режима в режим CoverFlow.

Еще одно применение описываемых датчиков можно увидеть в режиме навигации. Например, смотрите вы на устройстве (с GPS-модулем, конечно) карту местности.

Карта эта — с помощью гироскопа — отображается в соответствии с вашим расположением; иными словами, на экране изображается схема той местности, которая находится прямо перед вами. Вы поворачиваетесь, и карта на экране тоже поворачивается.

Фактически, карта всегда соотвествует направлению вашего взгляда/тела. Это очень практично.

Наконец, стоит отметить функцию шагомера, которой обладают некоторые устройства с акселерометром (например, плееры iPod Nano 5-го и 6-го поколений, коммуникаторы iPhone). Шагомер позволяет измерять пройденное за день расстояние (или же, к примеру, расстояние, которое вы пробежали за какое-то время). Правда, точность измерения зависит от многих факторов и иногда бывает весьма низка.

Как видите, акселерометр и гироскоп — вещи достаточно полезные, хотя жизненной необходимости в них, разумеется, нет.

Хотелось бы также заметить, что гиродатчик и акселерометр не обладают телепатическими свойствами и реагируют на любые повороты и передвижения устройства, в том числе и случайные.

Это, естественно, раздражает, и многие данные датчики просто-напросто отключают. Лично я — использую.

Отдельно стоит сказать несколько слов об акселеромтрах (G-сенсорах) в e-ink ридерах. Из-за специфики е-инк экрана (он отличается медлительностью), G-сенсор в ридере — удовольствие очень сомнительное. Если он ошибочно сработает, вам придется ждать, пока произойдет поворот изображения/текста на экране в ненужный вам режим, а потом — пока произойдет обратный поворот.

А ошибочные срабатывания, на самом деле, не так уж редки. Например, ложитесь вы с ридером на кровать или на диван, и G-сенсор подает сигнал — надо повернуть текст на экране. А вам это вовсе не требуется. Подождали, повернули текст обратно. Затем решили повернуться на бок. Снова сработал G-сенсор, и снова зря. Как видите, неудобно.

Именно поэтому многие пользователи е-инк ридеров акселерометр отключают. И именно поэтому я не советую делать наличие акселерометра (равно как и гиродатчика) одним из критериев выбора ридера. Лучше, чтобы у ридера была возможность осуществлять поворот текста/изображения на экране при помощи одной кнопки. Вот это действительно удобно.

Раз уж я вспомнил про ридеры, то стоит сказать пару слов о читалках PocketBook, на которые можно установить дополнительную программу, которая называется FBReader 180 (распространяется она бесплатно). Данная программа обладает очень интересной функцией: листание наклоном устройства.

Фактически, вы можете перелистывать страницы книг без нажатий на кнопки, достаточно просто наклонять устройство на определенный угол вправо/влево. Величина этого угла задается в настройках.

Имейте в виду, что эта функция работает только на устройствах PocketBook со встроенным G-сенсором: модели 360, 360+, 602, 603, 612, 902, 903, 912.

Напоследок дам такой совет: если вы планируете пользоваться акселерометром или гиродатчиком устройства, обязательно проверьте корректность их работы при покупке, чтобы потом не было разочарования.

И ещё я очень не советую покупать устройства со встроенным акселерометром без возможности его отключения.

Такие устройства, к сожалению, выпускаются (обычно мелкими китайскими фирмами), и подчас они весьма раздражают своих владельцев ложными срабатываниями данного датчика.

И помните, что наличие и гироскопа, и акселерометра гораздо лучше наличия одного лишь акселерометра (G-сенсора). Гироскоп в паре с G-сенсором способен точнее определять положение устройства в пространстве, и возможностей интерактивного управления — например, в играх — будет больше.

Источник: http://best-guide.ru/?p=805

Акселерометр и гироскоп MPU6050

Прежде чем приступить к рассмотрению модуля гироскопа и акселерометра, думаю, будет не лишним коротко разобраться что это такое. Гироскоп представляет собой устройство, реагирующее на изменение углов ориентации контролируемого тела. В классическом представлении это какой-то инерционный предмет, который быстро вращается на подвесах.

Как результат вращающийся предмет всегда будет сохранять свое направление, а по положению подвесов можно определить угол отклонения. На самом же деле электронные гироскопы построены по другой схеме и устроены немного сложнее (вращающийся волчок впихнуть в микросхему было бы не просто).

Акселерометр — это устройство, которое измеряет проекцию кажущегося ускорения, то есть разницы между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением. На простом примере такая система представляет собой некоторую массу, закрепленную на подвесе, обладающим упругостью (пружина для хорошего примера).

Так вот если такую систему повернуть под каким-то углом, или бросить, или предать линейное ускорение, то упругий подвес отреагирует на движение под действием массы и отклонится и вот по этому отклонению определяется ускорение.

Таким образом, гироскоп реагирует на изменение в пространстве независимо от направление движения, с помощью акселерометра же может измерять линейные ускорения предмета, а так же и искусственно рассчитываемое расположение предмета в пространстве. Каждое устройство имеет свои достоинства и недостатки.

Микросхема MPU6050 содержит на борту как акселерометр, так и гироскоп, а помимо этого еще и температурный сенсор. MPU6050 является главным элементом модуля GY-531.

Помимо этой микросхемы на плате модуля расположена необходимая обвязка MPU6050, в том числе подтягивающие резисторы интерфейса I2C, а также стабилизатор напряжения на 3,3 вольта с малым падением напряжения (при питании уже в 3,3 вольта на выходе стабилизатора будет 3 ровно вольта) с фильтрующими конденсаторами.

Ну и бонусом на плате распаян SMD светодиод с ограничивающим резистором как индикатор питающего напряжения. Размер платы модуля GY-521 10 х 20 мм.

Схема модуля представлена ниже (номиналы могут немного отличаться в разных версиях модуля):

Характеристики MPU6050:

напряжения питания 2,375 — 3,46 вольт
потребляемый ток до 4 мА
интерфейс передачи данных — I2C
максимальная скорость I2C — 400 кГц
вход для других датчиков I2C
внутренний генератор на 8 МГц (вне модуля возможность подключить внешний кварцевый резонатор на 32,768 кГц или 19,2 МГц)

Нужно отметить возможность MPU6050 работать в мастер режиме I2C для AUX выводов, к которым можно подключить еще один внешний датчик (например магнитометр). Честно говоря, я не понимаю для чего это вообще нужно, если проще подключать дополнительные датчики к общей шине I2C микроконтроллера.

Функции MPU6050:

трех осевой MEMS гироскоп с 16 битным АЦП
трех осевой MEMS акселерометр с 16 битным АЦП
Digital Motion Processor (DMP)
slave I2C для подключения к микроконтроллеру
master I2C для подключения к микросхеме дополнительного датчика
регистры данных датчиков
FIFO
прерывания
температурный сенсор
самопроверка гироскопа и акселерометра
регистр идентификации устройства

Внешний вид модуля GY-521:

В комплекте идут штыревые соединения угловые и прямые. Припаян был прямой штыревой разъем.

Данные измерений датчиков можно считывать как из регистров хранения, так и пользоваться функциями FIFO.

Имеется отдельный регистр под названием Who am I, значение, записанное в этом регистре постоянно и его можно только считать, можно использовать как идентификатор устройства, значение в регистре 104 или 0х68.

Отдельным выводом является выход прерываний, который настраивается регистрами настройки под определенные события.

Датчики гироскопа и акселерометра изготовлены как MEMS (микроэлектромеханическая система) — внешнее воздействие на датчик сначала изменяет состояние механической части, затем изменение состояния механической части приводит к изменению сигнала электрической части.

Одним словом в одном корпусе собрана не только электроника, но и механика. В микросхеме MPU6050 содержится сразу два MEMS датчика, производитель утверждает, что их взаимное воздействие друг на друга сведено к минимуму. Ну что же, совсем не плохо за цену готового модуля порядка 2 уе.

Между прочим эти модули можно приобрести на торговых площадках aliexpress или ebay.

Разберемся как можно использовать датчики акселерометра и гироскопа. Температурный датчик трогать даже не будем — данные о температуре прочитали, перевели в человеческие значения и наслаждаемся. Гироскоп выдает значения мгновенной угловой скорости с разрешением, заданным в настройках, например 2000 градусов в секунду.

Если прошить микроконтроллер и смотреть на получаемые данные, то увидим только нули. Если начать крутить датчик, то получим мгновенные значения угловой скорости. Заметьте, что скорость мы получаем в градусах в секунду, а это значит, что линейные скорости не влияют на эти показания — показания будут изменяться только при повороте датчика в пространстве.

Далее с помощью этих данных можно получить ориентацию объекта в пространстве. Для этого нужно получить мгновенное значение угловой скорости и умножить его на промежуток времени между опросами датчика гироскопа.

Пример разрешение 2000 градусов в секунду, промежуток между опросами датчика 0,1 секунда, значение мгновенной скорости 300, значит 300*0,1=30 — за это время ось гироскопа была повернута на 30 градусов. Далее каждое полученное значение нужно сложить с предыдущим.

Если ось двигалась в одном направлении — значение 30 градусов, если в другом, то -30, таким образом, при возвращении датчика в исходное положение всегда (в идеале) будет 0, при отклонении от исходного положения, при выполнении вышеописанных действий, получим угол отклонения. Обрабатывая углы трех осей гироскопа можно получить ориентацию объекта в пространстве.

Таким образом, при интегрировании состояния угла положения, также интегрируется и погрешность — при длительном использовании можно получить уже абсолютно неправильные значения. Поэтому часто гироскоп используют в паре с акселерометром, образуя в простом варианте альфа-бета фильтр или комплементарный фильтр.

С акселерометром все проще. Измеряя ускорения трех осей датчика можно получить данные, преобразуя их с помощью геометрии, по которым можно также получить ориентацию объекта в пространстве.

Помимо этого акселерометр измеряет линейные ускорения, то есть ориентация объекта может искажаться при движении датчика в линейных направлениях. Также с помощью акселерометра можно определять движение объекта или его столкновение.

Например детектировать падение объекта или толчок о преграду, чтобы обходить это.

Данные от акселерометра получаем всегда достаточно точные, то есть нуль всегда остается нулем ни при каких воздействиях (имеется ввиду не зависит ни от времени, ни от характера воздействия), однако недостаток кроется в том, что данные идут шумом в некотором диапазоне данных, то есть до десятых долей градуса точно измерять угол не получится. Зато исходя из экспериментальных данных, точность до целых значений градуса держится вполне стабильно. Не забываем про влияние линейных ускорений.

Если датчик приобрели, можно переходить к рассмотрению внутренностей модуля, а именно главного элемента — микросхемы MPU6050. Информация хранится в регистрах микросхемы, которых более 100 (!). И вот тут то и кроется огромный подводный камень.

производитель не утрудился расписать в документации всю информацию, а привел лишь информацию о самом необходимом. На самом деле не известно даже сколько же всего там регистров, доступных для чтения или записи или того и другого. Также информации на некоторые регистры попросту нет, кроме его названия.

Ну что же, придется экспериментально определять влияния значений, записанных в некоторые регистры.

В конце статьи вы можете скачать исходный код примера использования данного модуля. Внутри вы найдете информацию о том как считывать данные датчиков модуля, а также инициализацию устройства или просто первоначальную настройку регистров для начала работы с модулем GY-521.

Интерфейс I2C работает по стандартной схеме. Адрес микросхемы может быть двух значений (без бита чтения / записи) в зависимости от состояния вывода AD0 – b1101000, если AD0 соединен с землей и b1101001, если AD0 соединен с источником питания. Соответственно плюс бит чтения или записи.

Микросхема содержит Digital Motion Processor (DMP), он необходим для того, чтобы обрабатывать данные, получаемые из датчиков гироскопа и акселерометра.

Все это делается для того, чтобы повысить точность получаемых данных, так как при обработке данных на микроконтроллере точность может пострадать из-за снижения скорости их обработки.

Как правило, алгоритмы обработки движения должны работать с достаточно высокой частотой, обычно 200 Гц, как утверждает документация.

Что касается регистров, то их достаточно большое количество, необходимая информация находится в карте регистров на MPU6050, документ прилагается к статье. Помимо этого прилагается исходник с настройками этих регистров.

Для демонстрации работы модуля была собрана схема:

Здесь использован микроконтроллер Atmega8, данные выводятся на ЖК дисплей 2004А (4 строки по 20 символов). На экран выводится следующая информация, полученная и преобразованная от микросхемы MPU6050 модуля: 1. значения по трем осям акселерометра, 2. значения по трем осям гироскопа, 3. температура, 4.

углы отклонения по данным акселерометра (рассчитаны ресурсами микроконтроллера), 5. поворот по оси Z по данным гироскопа (также путем подсчета микроконтроллером).

В первом и втором пункте данные имеют мгновенный характер — то есть именно то, что считывается из регистров хранения, это значит, что для гироскопа это скорость, в состоянии покоя все значения будут равны нулю.

Помимо этого, имеется 6 светодиодов, которые загораются в зависимости от положения датчика по оси Y акселерометра.

Модуль датчиков содержит уже стабилизатор на 3,3 вольта, поэтому его можно подключать как к 5 вольта, так и к 3,3 вольтам. Микроконтроллер запитывается от напряжения 3,3 вольта, чтобы не делать согласование уровней I2C.

Собранное устройство на макетной плате:

Для программирования микроконтроллера конфигурация фьюз битов (Atmega8):

Область применения таких датчиков достаточно широка. Данный модуль часто применяют для стабилизации полета квадрокоптера по причине совместного использования гироскопа и акселерометра.

Кроме этого модуль можно использовать для координации различных устройств — от просто детектора движения до системы ориентации различных роботов или управления движениями каким-либо устройствами.

Область подобных сенсорных устройств достаточно новая и интересная для изучения и применения в любительской технике.

В заключении хотелось бы отметить, что данные модуль — это недорогое и достаточно хорошее решение при необходимости использования гироскопа и / или акселерометра, большое количество настроек датчиков позволит настроить их под любые устройства, малые размеры модуля без труда позволят встраивать его в большинство схем.

К статье прилагается прошивка микроконтроллера, исходный код AVR Studio4, документация на MPU6050 и видео работы датчика в схеме.

Скачать список элементов (PDF)

Прикрепленные файлы:

Источник: http://cxem.net/mc/mc324.php?sa=X&ved=0CBcQ9QEwAWoVChMIoOTw1cr0xgIVyKtyCh0bawoK

Что такое гироскоп в планшете

В современных моделях никого не удивишь множеством датчиков: давления, силы притяжения, магнитного, акселерометра, гироскопа и других. Одними из самых первых датчиков были датчик приближения, света и акселерометр (G-сенсор).

Хотя гироскоп в планшете появился значительно позже, его часто путают с G-датчиком. Сами модули на самом деле очень разные, но часто используются в паре.

Правда, Apple первая полностью отказалась от использования акселерометра ещё в iPhone 4.

Тем не менее, все остальные производители стараются использовать полезные функции от обоих модулей.

Чем отличается гироскоп от G-сенсора (акселерометра)

G-сенсор, он же акселерометр — предназначен для измерения проекции кажущегося ускорения, то есть для измерения угла наклона девайса сравнительно с поверхностью планеты.

В большинстве случаев используется для автоматического поворачивания дисплея планшета (или другого устройства). Впрочем, это и было его первое предназначение.

Уже намного позже функциональность G-сенсоров начали использовать для игр и приложений.

Гиродатчик, он же гироскоп — устройство в девайсах, использующееся для определения ориентации планшета и других устройств в пространстве, а также для отслеживания его перемещения. Впервые начал использоваться в ноутбуках для защиты жёсткого диска от последствий падения устройства или его резкого перемещения.

Что такое гироскоп в планшете и где он используется?

Итак, что такое гироскоп в планшете, для чего он конкретно нужен и какую конкретную выгоду можно от него иметь? Гироскоп — это небольшое устройство с виду похожее на микросхему, но на самом деле являющееся полноценным модулем.

Кроме стандартных задач он используется очень часто в современных играх. Например, гонки обрели совершенно новое значение, когда сам планшет выступает в качестве руля.

При этом угол наклона соответствует уровню поворота рулевого колеса (Real Racing 3, например).

Стандартное использования модуля

Кроме поворота экрана (в iPad, в других случаях это делается посредством акселерометра) и функций безопасности, на модуль возложены функции расширения вида приложений (интерфейса). Например, калькулятор при повороте дисплея меняет вид с обычного на инженерный. Похожими функциями обладают и другие приложения.

Очень часто разработчики программного обеспечения для устройств используют его для управления устройством. Разнообразные встряхивания, определённая последовательность движений и прочее. С помощью движений можно принимать-завершать звонки, увеличивать-уменьшать громкость и прочее.

Гиродатчик в планшете — что это и как его использовать в бытовых целях? Функции модуля можно очень широко использовать в домашнем строительстве, ремонте и прочих мелких бытовых задачах.

Самое первое и полезное — полноценная замена строительного уровня. Так, например, уровень может выйти из строя, а в гироскопе это исключено.

На практике можно использовать для того, чтобы точно выставить мебель или установить окна и двери.

Самое интересное, что можно выставить не только по уровню, а и под совершенно точным углом. Для этого, правда, придётся скачать специальное приложение.

Использование с другими модулями

Очень часто гироскоп используется в паре с другими модулями, в первую очередь с акселерометром. Очень яркий пример — совместное использование с GPS-модулем для навигации. Так, на планшете карта будет автоматически поворачиваться по ходу разворота устройства. Это очень полезно для точной ориентации в пространстве, как на автомобиле, так и, например, для туристов.

Недостатки гироскопа в планшетах

Недостаток заключается как раз в автоматическом повороте экрана. Очень часто пользователей раздражает эта функция, когда она не нужна. Например, поворот экрана при чтении книги или просмотре фильма. Именно поэтому функцию автоматического поворота экрана отключают, предпочитая постоянную ориентацию.

Что такое гироскоп в планшете: Видео

Поблагодарить просто — нажмите по любой из кнопок соцсетей

Источник: http://kingdia.com/obzory/tekhnologii/83-chto-takoe-giroskop-v-planshete.html

Гироскоп в смартфоне — что это такое и зачем он нужен? :

Новейшие смартфоны оснащены многочисленными датчиками. Одним из самых полезных модулей выступает гироскоп. Для чего такое устройство внедряют в системы сотовых телефонов? Гироскоп в смартфоне — что это? Какие функции на него возложены? Обо всем этом пойдет речь в нашей публикации.

Краткий экскурс в историю

Гироскоп — изобретение французского ученого Леона Фуко. Прототип, согласно принципу работы которого функционируют современные устройства, использовался физиком в целях отслеживания особенностей суточного вращения планеты.

Инновационные гироскопы используются не только для отслеживания специфики колебания различных тел. В наши дни основным назначением прибора является определение углов отклонения предметов по отношению к плоскостям. Для чего нужен гироскоп в смартфоне? Комбинирование такого модуля с акселерометром открывает возможность для отслеживания движений телефона в трехмерном пространстве.

Впервые средство сотовой связи с таким модулем на борту представила компания Apple. Случилось это в ходе презентации модели смартфона iPhone 4. Впоследствии инновационному решению стали подражать самые различные разработчики телефонов.

Гироскоп в смартфоне — что это?

Гироскоп в сотовом телефоне не имеет ничего общего с традиционным механическим устройством. Здесь модуль представляет собой микроскопическую электронную плату, которая способна вычислять угловые скорости, передавая соответствующую информацию в виде электрических сигналов.

Как правило, габариты такого чипа составляют всего лишь несколько миллиметров.

Если отвечать в общих чертах на вопрос: “Гироскоп в смартфоне — что это?”, то несведущему человеку может показаться, что никакой особой пользы владельцу эта фишка не несет — применение устройства направлено всего лишь на определение отклонения мобильного гаджета от собственной оси. Но так ли это?

Отличие гироскопа от акселерометра

Гироскоп в смартфоне — что это? Такой модуль способен передавать данные тем или иным приложениям об угле наклона мобильного гаджета по отношению к земной поверхности. Подобная функция закреплена также за акселерометром.

Однако указанные девайсы имеют различный принцип работы. Ведь функционирование акселерометра основано на вычислении собственного ускорения в пространстве. На практике отмеченные возможности обеих систем оказываются взаимозаменяемыми.

Именно по этой причине современные смартфоны оснащаются как гироскопом, так и акселерометром.

Функции гироскопа

Зачем нужен гироскоп в смартфоне? Применение датчика открывает следующие возможности. В первую очередь благодаря элементарному встряхиванию мобильного телефона пользователь способен быстро ответить на входящий звонок. Гироскоп позволяет просматривать изображения, переключать аудиозаписи в плеере, облегчает переворачивание страниц во время просмотра текстовых документов.

Еще зачем гироскоп в смартфоне? Чрезвычайно удобным модуль становится при использовании калькулятора. Благодаря отклонению гаджета в ту или иную сторону можно выбирать функции умножения, деления, вычитать и слагать значения.

Разработчики мобильных устройств нашли применение гироскопу также при работе с различными приложениями и программным обеспечением. При встряхивании некоторых устройств автоматически происходит обновление Bluetooth. Очень удобным наличие модуля становится при необходимости измерения уровней и углов наклона.

Гироскоп незаменим в случае работы с электронными картами. Модуль дает возможность определять точное положение пользователя на определенной местности. При запуске навигатора карта будет менять положение вслед за поворотом человека.

Если пользователь развернется лицом к тому или иному объекту, это сразу же отобразится на визуальной схеме.

Такая функция будет крайне полезной для людей, которые увлекаются активным отдыхом, в частности путешествиями и ориентированием на местности.

Без гироскопа не могут обойтись любители мобильных игр. Функциональный модуль способствует созданию более реалистичной картинки и облегчает управление.

Особенно правдоподобными благодаря гироскопу становятся всевозможные симуляторы, шутеры, трехмерные бродилки.

Чтобы езда на виртуальной машине либо полет на самолете казались более реальными, достаточно изменения положения смартфона в одной из плоскостей.

Если пользователь мобильного телефона в дальнейшем планирует использовать шлем виртуальной реальности, в таком случае наличие гороскопа выступает обязательным условием. Без датчика станет невозможным отслеживание системой смартфона поворотов головы, перемещения человека в пространстве.

Недостатки

Но наличие в смартфоне гироскопа может обернуться минусом, да таким, что отдельные пользователи стараются сразу же отключить функциональный модуль. Речь идет о реакции некоторых приложений на изменения положения сотового телефона в пространстве со значительным запозданием.

Сравнительным недостатком наличия гироскопа в смартфоне выступают неудобства, которые способны возникать при чтении электронной книги. Если пользователь произвольно меняет позу, датчик тут же преобразит ориентацию странички в соответствующей плоскости. Подобные моменты обычно вызывают раздражение.

Как определить, есть ли гироскоп в смартфоне

Узнать о присутствии функционального модуля в системе мобильного устройства можно несколькими способами. Наиболее простой и доступный вариант — ознакомление с описанием модели смартфона на официальном сайте изготовителя либо просмотр прилагающейся к гаджету технической документации.

Существуют и другие решения. Например, можно прибегнуть к установке на телефон специальных приложений. Одним из таковых выступает AnTuTu Benchmark. После инсталляции и запуска приложения достаточно перейти на вкладку «Информация». Через несколько мгновений на экране отобразятся все спецификации смартфона.

В качестве альтернативы вышеуказанному варианту можно воспользоваться утилитой Sensor Sense. Приложение фиксирует данные, которые исходят со всех датчиков, встроенных в мобильное устройство. Если в списке «запеленгованных» модулей не окажется гироскопа, это будет свидетельствовать о его отсутствии.

Источник: https://www.syl.ru/article/351714/giroskop-v-smartfone—chto-eto-takoe-i-zachem-on-nujen

Что такое гироскоп в телефоне?

Краткое содержание статьи:

Многие слышали про гироскоп в телефоне — что это такое интересно, пожалуй, только тем пользователям гаджета, которые в технических характеристиках заметили незнакомое название.

На самом же деле функциями этого микроприбора мы пользуемся достаточно часто.

Он способен выручить нас в момент отсутствия необходимого строительного инструмента, указать нам направление движения, когда это необходимо и справиться с различными, еще более сложными задачами.

Для чего гироскоп в вертолете?

Высокотехнологичные приборы широко используются в военно-техническом оснащении армии. Например, гироскоп является важной составляющей частью вертолетной навигационной системы.

В вертолетах устанавливаются гироскопические приборы на качественных подшипниках, которые не позволяют внешним факторам воздействовать на его ось.

Таким образом, он способен отображать уровень наклона поверхности, к которой прикреплен.

Когда вертолет заходит в поворот, устройство давит на соответствующую пружину, расположенную под его горизонтальным основанием до тех пор, пока экипаж не выровняет машину по вертикальной оси. Причем сила давления на пружину прямо пропорциональна угловой скорости вертолета.

Еще одной немаловажной функцией является стабилизация вертолета в момент раскачивания или заноса его хвоста. Гироскоп:

Определяет раскачивание;
Дает сигнал винтовым лопастям;
Лопасти в свою очередь начинают работу в режиме недопущения раскручивания машины.

Так вертолет остается в стабильном равновесии и не зависит от потоков воздуха или других внешних факторов.

В этом видео физик Аркадий Жалеев покажет принцип работы большого гирокомпаса:

Где еще используют прибор?

Гироскоп очень важен для самолетостроения. Его работа детально изучается пилотами, однако нам, простым пассажирам, понятно, что в небе самолет ориентируется именно благодаря этому прибору.

С его помощью выполняется:

Работа автопилота;
Маневрирование в воздухе;
Взлет и посадка.

Все это обусловлено работой гироскопа.

В подводных лодках аппарат позволяет определить:

Курс судна;
Равновесие или баланс корпуса.

Также такие приборы используются в космонавтике, где ориентироваться по визуальным и тактильным ощущениям невозможно.

Велико место прибора в робототехнике. Благодаря его функциям могут отслеживаться изменения положения в пространстве различных предметов, например, головы или тела робота. Является основным и самым важным устройством в гироскутере.

Таким образом, гироскоп — крайне важный предмет для наукоемких производств, военно-промышленного комплекса и бытовой жизни каждого человека. Он намного облегчает нам жизнь и делает ее интереснее, а для науки является ценнейшим навигационным прибором.

Гироскоп: как работает устройство?

Современные гаджеты оснащены массой различных полезных функций. Одной из таких новинок является гироскоп. Впервые он был использован в телефонах компании Apple.

Это маленький чип внутри смартфона, суть работы которого заключается:

В определении местоположения смартфона в пространстве;
Вычислении углов горизонта.

Таким образом, многие функции телефона напрямую зависят от гироскопа:

Направление и скорость движения в навигаторе;
Автоматический переход экрана в горизонтальное или вертикальное положение;
Игры в телефоне, где гироскоп используется в качестве руля;
Ответ на звонок или переключение различных функций с помощью встряхивания телефона.

Также аппарат может выступать в качестве прибора, измеряющего угол наклона, например, всем известного уровня. Это бывает необходимо и в быту, и в строительной профессии.

Все это — помощь того самого вшитого чипа. Сегодня практически все телефоны оснащены таким датчиком. Убедиться в этом вы можете, обратившись к техническим характеристикам гаджета или установив программу, позволяющую определить все встроенные в телефон датчики.

Отличие гироскопа от акселерометра

Многие путают эти два устройства, называя их приборами с одинаковым функционалом, но разными названиями, однако такие рассуждения ошибочны. Принцип действия этих приборов немного разнится:

Акселерометр определяет угол ускорения относительно земли, тогда как его коллега — угол своего положения;
Акселерометр имеет возможность измерять длительность движения, а гироскоп — нет;
У акселерометра есть возможность издавать сигналы при прохождении определенного расстояния;
Гироскоп может определять стороны света, акселерометр — нет.

Таким образом, оба эти прибора отлично дополняют друг друга и часто используются в тандеме на различных устройствах.

Устройство гироскопа

Прибор гироскоп был изобретен еще в 19 веке. Его работа заключается во вращении твердых тел с высокой скоростью вокруг оси. Самым простым и наглядным примером работы агрегата является простая игрушка юла. Когда мы раскручиваем ее, она вращается вокруг оси до тех пока на нее не начинают воздействовать внешние силы.

Гироскоп в свою очередь не подвержен такому воздействию и сохраняет устойчивость благодаря гораздо большей силе вращения, чем у юлы. Таким образом, вы можете поворачивать аппарат как угодно, но его ось останется неизменно вертикальной.

Самый первый гироскоп был механическим, однако дальше, с развитием науки он стал лазерным и оптическим. В электромеханике сегодня такие приборы используются в виде микроэлектромеханических датчиков. Именно таким образом он умещается в телефон, сложную навигационную систему кораблей, самолетов и вертолетов.

Таким образом, в современном мире люди живут, что называется на высоких скоростях. Однако для упрощения и увеличения качества жизни в бытовой обиход входят все больше приборов, которые ранее использовались только для высоких технологий.

Одним из таких примеров, является гироскоп в телефоне. Что это за устройство, давно знают капитаны морских судов и подводных лодок, пилоты и космонавты.

В современном гаджете такое устройство появилось относительно недавно, но уже прочно закрепилось среди важных и полезных функций.

Видео о принципе работы приборов для ориентации в пространстве

В данном ролике Роман Лодин расскажет, с помощью чего гироскопу и акселерометру удается определить свое местоположение и чем отличаются эти два прибора:

Источник: https://znay.co/368-giroskop-v-telefone-chto-ehto.html

Сравнение характеристик микромеханических гироскопов

Недавно узнал о том, что фирма STMicroelectronics анонсировала трехосевой гироскоп A3G4250D, удовлетворяющий жесткому стандарту для автомобильного применения (AEC-Q100). Обещана стоимость $6 при заказах от 1000 шт. Класс цены понятен. Захотелось сравнить паспортные характеристики этого датчика с маститыми моделями от Analog Devices Inc.

и других производителей. Пока разбирался с даташитами выяснил, что набор паспортных характеристик ADI и STM, к примеру, неодинаковый. Попутно решил выяснить по каким все-таки попугаям стоит сравнивать датчики, т.е. что является наиболее серьезной проблемой микромеханики. В итоге набрался материал для поста, а может и двух. В данном будет вводная.

Сравнение a la “[30 коп. пучок] Vs. [Чугунный мост]” к сожалению не уместилось.

О принципах работы разных классов микромеханических гироскопов и акселерометров можно написать не одну статью. Существует несколько обособленных видов/классов приборов. Если не вдаваться в подробности, грубо можно сказать следующим образом.

Чувствительным элементом (ЧЭ) микромеханического гироскопа является инерционная масса, закрепленная внутри корпуса на пружинах (упругих консолях полупроводника и пр.). Эта чувствительная масса приводится в колебательное движение по одной из осей датчика. Эта ось является осью возбуждения (входной осью). По этой оси задается рабочий режим.

Измерения же производятся по перпендикулярной к ней оси (выходной). Принцип действия заключается в том, что при вращении корпуса вокруг его измерительной оси ( ее еще называют осью чувствительности) чувствительный элемент помимо колебаний вдоль входной оси начинает колебаться еще и вдоль третьей, выходной.

Если кто знает, что такое Фигуры Лиссажу, тот легко поймет, что ЧЭ начинает описывать в пространстве окружность (или эллипс).

Так упрощенно работает одноосевой датчик. У двух и трехосевых датчиков комплекс из ЧЭ и измерительной системы как бы обрамляется еще одной системой подвеса/измерителей. Т.е. одна сборка ЧЭ/Подвес/Измерители (пусть это будет сборка для оси Х) сама является колеблющимся ЧЭ для другой сборки (напр., по ОY), которая входит в сборку для измерения по OZ.

Возможна, наверняка, и раздельная система. Специалист по микромеханике в тексте выше сможет найти достаточно некорректностей. Написано грубо и для простоты восприятия. И написано это, чтобы плавно перейти к описанию одной из серьезнейших проблем микромеханики, а именно чувствительность к линейным ускорениям.

В теории колеблющийся ЧЭ не должен чувствовать ускорений и не должно у него быть перекрестных связей (в случае двух- или трехосевых датиков) с другими осями чувствительности (ОЧ).

Но вследствие неидеальностей создания трехмерной структуры внутри интегральной микросхемы центры масс ЧЭ смещаются, появляются остаточные напряжения в материале, пружины имеют неодинаковые упругости и т.д. В результате ЧЭ для ОХ начинает реагировать на воздействия по OY, линейные ускорения начинают искажать показания гироскопа. Т.е.

в измерениях появляется приращение угловой скорости которого на самом деле нет (случайный дрейф). Сделать производство ЧЭ идеальным невозможно (или не целесообразно), поэтому в конструкции датчиков появляются дополнительные элементы, нужные для уменьшения чувствительности к упомянутым паразитным воздействиям.

В первую очередь простотой и даже самим наличием элементов режекции паразитных воздействий как раз и отличаются дешевые (до $10-15) датчики от датчиков среднего ($30-100) и верхнего ($100+) ценовых диапазонов.

В одной из хабрастатей я обсуждал вопрос пренебрежимости реакции недорогих гироскопов на паразитные воздействия (тут например).

Понятно, что для статичного квадракоптера незачем изгаляться. Но ведь это лишь демо-устройство будет использоваться в статике. UAV должен перемещаться, причем иметь достойные динамические характеристики. Иначе зачем он сможет быть использованным? Для поглядеть, а что там за забором?

Про реакцию на вибрации, которые имеют высокую интенсивность в квадракоптерах к примеру, особо рассказывать не нужно. Все знают что это такое. Поэтому считаю, что вопрос чувствительности гироскопов к ускорению и вибрациям очень важен для создания подвижного объекта с нормальной динамикой.

Погрешности микромеханических гироскопов

Первое, что бросается в глаза разработчикам в даташитах к датчикам, это так называемая «стабильность нуля». Ведь кажется, что именно этот параметр в конечном итоге определяет чувствительность датчика, т.е. минимальное входное воздействие, которое датчик почувствует.

Так из-за низкой стабильности нуля многих моделей ММГ, до сих пор многие считают, что микромеханические гироскопы (ММГ) не чувствуют вращение Земли. Есть модели ММГ имеющие стабильность нуля немногим более 2 °/час (Земля, как известно вращается со скоростью 15 °/час). Но на практике это не означает, что измерить вращение Земли все-таки удастся.

Как бы то ни было, разработчик смотрит на стабильность нуля. Это понятный параметр, показывающий в каких пределах будет колебаться нуль шкалы датчика в лабораторных условиях. Однако это параметр стабильности «сферического коня в вакууме». В реальности заявленной стабильности не будет.

Почему? Да потому, что там указана стабильность (вернее нестабильность) обусловленная внутренними источниками погрешностей. В каких условиях датчик будет работать производитель не сможет предугадать, как и вызванные этими условиями девиации. Есть два подхода борьбы с погрешностями: аппаратный и алгоритмический (читай программный).

Второй подход подразумевает добавление в прошивку БЦЭВМ специальных программных модулей для коррекции ошибок, вызванных паразитными процессами. И этот подход не рекомендуется как оптимальный. В первую очередь сам датчик должен гасить шумы.

Центральный мозг должен заниматься не вычищением основного мусора, а финишной обработкой и обсчетом высокоуровневых алгоритмов (навигация, стабилизация, автоматизация). Есть разного рода методические погрешности. Они легко описываются некими формулами, вот их легко компенсировать программно.

К чему все это? А к тому, что правильнее выбрать датчики, оптимальные с точки зрения соотношения цены к точностным характеристикам. И тут главными параметрами выбора будет скорее всего чувствительности гироскопа к линейному ускорению (g-чувствительность) и вибрациям (g²-чувствительность). Почему они главные объясняется ниже.

Температурный гистерезис нуля

ММГ имеют погрешности нуля, которые варьируются в зависимости от температуры внутри корпуса. Для проведения термокомпенсации в ММГ встроены температурные датчики. Их точность особого значения не имеет, важна лишь повторяемость показаний. Но с термокомпенсацией есть проблема — гистерезис.

Гистерезис в данном случае — это разница между требуемым значением коррекции для конкретной температуры в двух случаях — когда прибор достигает этой температуры охлаждаясь и в случае, когда он нагревается до той же температуры. См. график ниже.

На этом графике показан температурный гистерезис нуля для ММГ ADXRS453 при изменении температуры от +25°С к +130°С, потом к -45°С и обратно к +25°С. Этот гистерезис имеет место не зависимо от того включен датчик во время колебания температуры или нет. К тому же гистерезис зависит от того, насколько широк диапазон изменения температур.

Ситуация сложная? Нет, не очень. В общем случае ММГ не должны использоваться для определения углов ориентации при отсутствии некоторой внешней референсной системы, которая позволяет сбросить накопившуюся погрешность до некоторого низкого уровня. По той же системе можно определить и текущее смещение нуля.

Таким образом, температурные смещение нуля и погрешность масштабного коэффициента при нормальном применении достаточно эффективно могут компенсироваться (пусть и с точностью до некоторой малой, ненулевой величины).

Погрешности из-за вибраций

Как было написано выше, сферический ММГ в вакууме измеряет лишь вращение и ничего другого. Однако из-за несимметричности ЧЭ и неидеальности изготовления все ММГ чувствуют ускорения. Под чувствительностью к ускорениям чаще всего понимают чувствительность к линейному ускорению (g-чувствительность) и к линейным вибрациям (g²-чувствительность).

На объекты, движущиеся в поле тяготения Земли, в любом случае действует ускорение (кроме случаев свободного падения). Чувствительность к линейным ускорениям часто оказывается главным источником погрешностей. ММГ в самом низком ценовом диапазоне оптимизированы прежде всего по стоимости, но не по сопротивлению вибрациям.

Они имеют относительно простую механическую систему. Она хоть и отличается живучестью (выдерживает гигантские перегрузки в 10'000 g), но не защищена от вибраций. Малая масса чувствительного элемента -> широкая полоса пропускания.

В таких гироскопах чувствительность к ускорению (acceleration effect в даташитах) может быть равна 1000 °/час/g (или 0.3 °/сек/g). И это значение вполне себе нормальное для такого класса датчиков. Но это на порядок выше, чем следует ожидать от точных датчиков.

От дешевых датчиков не стоит ожидать стабильности нуля в контексте чувствительности к ускорениям. Даже малые вращения в поле тяготения Земли приводят к огромным погрешностям из-за их чрезвычайной чувствительности к ускорению и вибрациям. К слову сказать, «aceleration effect» я не нашел в даташите к A3G4250D от STMicroelectronics.

Этот параметр не специфицируется для данного класса датчиков. Он просто подразумевается большим. Ниже представлена сравнительная таблица для некоторых моделей ММГ более высокого класса.В этой таблице представлены датчики, относящиеся к классу точных. И даже для них оба параметра не всегда указываются производителем.

Часто для компенсации чувствительности к ускорению пользуются коррекцией по показаниям акселерометра. Ниже пример из комментариев к хабрапосту “Использование инерциальной навигационной системы (ИНС) с несколькими датчиками на примере задачи стабилизации высоты квадрокоптера” на тему квадрокоптеров:

Но оказывается дрейф из-за чувствительности к ускорениям зависит от частоты с которой это ускорение меняется. Ниже представлены графики зависимости выходного сигнала ММГ CRG20-01 (в штучных поставках в виде demo-board обойдется, если не ошибаюсь, в районе $100-150 с доставкой) от частоты изменения приложенного ускорения.На графике видно, что от амплитуды ускорения погрешность не зависит. А вот от частоты зависимость имеется. И просто так эту погрешность не скомпенсируешь (большая вариация и сложная кривая изменения чувствительности). Скомпенсировать g²-чувствительность, если она постоянна, несложно. Но опять же не все производители в даташитах указывают графики для этого параметра. Разработчику часто приходится самому экспериментально строить эти графики. И часто это производится в полевых условиях на уже запущенных в эксплуатацию приборах.

Еще одна засада с коррекцией по акселерометрам — согласование фаз. В общем случае собственные частоты акселерометра и гироскопа не совпадают, да и частотные характеристики вообще.

Поэтому при различных частотах вибраций ММА и ММГ будут выдавать разные смещения по фазе выходного сигнала относительно вибраций на входе. В конечном итоге коррекция по акселерометру может увеличить! погрешность вместо ее гашения.

Случится это, если разница между смещениями по фазе ММА и ММГ будет приближаться к значению 3,14 радиан (180 градусов).

В итоге, т.к. чувствительность к вибрациям и ускорениям сильно варьируется даже в рамках одной модели датчика или она слишком велика, производитель ее просто не указывает. Правда нужно заметить, на самом деле достаточно трудно протестировать датчики на чувствительность к вибрациям. Проблемы носят как технический, так и методологический характер.

Для снижения чувствительности к вибрациям можно, конечно крепить датчики через резиновый изолятор. Но сделать так, чтобы этот подвес имел равномерное распределение характеристик для широкого диапазона частот, да еще и не менял их при старении очень сложно.

Ниже представлено сравнение погрешностей из-за чувствительности к ускорению и вибрациям, когда не используется g-компенсация (в гр/сек).А в следующей таблице представлены погрешности, которые остаются даже после введения g-компенсации (в гр/сек).

Как видим даже при введении g-компенсации погрешность от чувствительности к ускорениям все равно может быть больше погрешности от температурной нестабильности нуля (см. график гистерезиса выше).

Выводы

Написанное выше говорит о том, что не всегда самый очевидный параметр точности является и главным критерием выбора датчиков. «Под свечей всегда темно», — говорит народная мудрость. То, что недостаточно четко описано в даташите или вообще не указано может сыграть решающую роль в успешности проекта.

Можно заострить внимание на стабильности нуля и дисперсии шумов, а ведь их можно победить несложными алгоритмами (усреднять во времени или с использованием избыточных измерительных блоков). Зато погрешность от вибраций, как мы увидели выше на примере CRG20-01, может оказаться трудным описать в алгоритме. Долгое время стабильность нуля является золотым стандартом выбора ММГ.

Однако на практике большее влияние на точность может оказать чувствительность к ускорениям и вибрациям.

Заключение

Хотел сделать пост, содержащий две части — 1) Обоснование выбора критерия сравнения и 2) Сравнение по ТТХ моделей от Analog Devices Inc., Silicon Sensing, Sensonor и STMicroelectronics. Однако и так получилось «многабукв».

Если будет интересно, постараюсь в скором времени сравнить по даташитам датчики упомянутых фирм с разъяснением о физическом смысле основных характеристик.

UPD: поправлены некоторые опечатки и грамматические ошибки.

Источник: https://habr.com/post/139110/